劉小軍　徐盼盼

摘要：鋰離子電池已在我們的生活中普及，高考試題也是連續(xù)三年（2016年至2018年）都把鋰離子電池作為背景出題。然而，不少一線教師對鋰離子電池出現認知錯誤，尤其是對鈷酸鋰類型鋰電池。本文主要介紹了鋰離子電池的發(fā)展過程和鈷酸鋰電池的基本原理。

關鍵詞：鋰離子電池? 鈷酸鋰? 濃差電池

自2016年四川理綜第5道選擇題考查了可充放電鈷酸鋰電池以來，在2017和2018年全國卷Ⅲ第11道選擇題分別考查了全固態(tài)鋰硫電池、可充電鋰-空氣電池。如今，鋰電池已在我們的生活中普及，了解鋰電池發(fā)展史和基本原理已成為學生的基本素養(yǎng)。

在翻閱資料和聽課時，筆者發(fā)現部分一線教師并不了解當前商用鋰電池的原理，甚至還給出了錯誤的解讀。當前的商用鋰電池基本為鈷酸鋰電池，也就是2016年四川理綜第5道選擇題的考查背景，鈷酸鋰電池為濃差電池，Li、Co和C的化合價都沒有變化。為了更加系統性地了解鋰電池，筆者從鋰電池發(fā)展過程和商用鈷酸鋰電池的原理出發(fā)，介紹了鋰電池。

2016年四川高考理綜卷第5題：某電動汽車配載一種可充放電的鋰離子電池。放電時，電池的總反應為：Li₁-_xC_oO₂+LixC6== LiC_oO₂+C₆（x<1）。下列關于該電池的說法不正確的是（ ）。

A、放電時，Li⁺在電解質中由負極向正極遷移

B、放電時，負極的電極反應式為Li_xC₆-xe^-=xLi⁺+C₆

C、充電時，若轉移1mol e^-，石墨（C₆）電極將增重7x g

D、充電時，陽極的電極反應式為LiC_oO₂-xe^-=Li₁-_xC_oO₂+xLi⁺

一、鋰電池簡史

人們最早使用的二次電池為鉛蓄電池，后面發(fā)展出了鎳鎘電池和鎳氫電池，由于是在水溶液電解液條件寫的氧化還原反應，導致這類工作電壓和能量的密度都不高。因此，人們期待開發(fā)出高電壓和高密度的二次電池，鋰作為最輕的金屬元素，映入科學家的眼簾。直到1975年，美國的德克薩斯大學奧斯汀分校的斯坦利·惠延厄姆等通過二硫化鈦做正極，金屬鋰為負極，成功組成了二次鋰電池。1980年，美國紐約州立大學約翰·古迪納夫課題組首次報道了通過層狀結構的鈷酸鋰氧化物作為電池的正極，金屬鋰為負極，獲得了高達4伏特的電壓。到了1985年，日本旭化成公司的研究員吉野彰發(fā)現，通過以嵌鋰離子的石油焦材料作為負極，配同鈷酸鋰為正極，得到了當時能量密度最高的鋰電池。直到1991年，索尼公司制備出了第一個商用鋰電池，鋰電池開始進入人們的生活。

二、鋰電池的正負極材料

鋰電池的負極材料主要有金屬鋰、嵌鋰離子的石油焦材料和嵌鋰離子的石墨烯材料。當前，市面上使用的鋰電池負極為嵌鋰離子是石墨烯材料，正極材料主要是層狀結構的金屬氧化物，可以是LiMO₂（M=V、Cr、Ni、Fe）。其中，LiC_oO₂相對于其他金屬氧化物材料有更高的親和性，最適合做正極材料。

三、鈷酸鋰電池原理

通過對鋰離子固態(tài)電解質的研究，鋰離子可在密排的氧原子間自由移動，而且在鈷酸鋰的層狀有序巖石晶體結構中，氧陰離子通過面心立方最密堆積形成骨架，Li⁺和C_o位于晶格的八面體配位，交替占據（111）晶面，Li⁺可在其中可逆的嵌入和脫出（如圖1所示）。

目前，用途廣泛的商用鋰電池，是以石墨作為負極、鈷酸鋰作正極，結構如圖2所示。放電時，嵌入在石墨中的鋰離子脫離出Li_xC₆-xe^-=xLi⁺+C₆，通過電解質溶液來到金屬氧化物層狀結構前被嵌入Li₁-_xC_oO₂+xe^-+xLi⁺=LiC_oO₂+xLi⁺;充電時嵌入在電池正極的鋰離子解離出，重新回到石墨烯的層狀結構中，其原理為濃差電池。

四、結語

鋰電池正極材料的核心和關鍵研發(fā)者是一位二戰(zhàn)時期的老兵，其有過氣象和凝聚物理方面的研究，同時在超導和磁電阻材料領域也取得傲人的成就，還為第一個隨機存取器做出了重要的貢獻。作為一線教師應了解前沿的科學技術，傳授正確的科學知識，提高學生的化學學科素養(yǎng)，為祖國培養(yǎng)創(chuàng)新人才。

（作者單位：劉小軍? 廣州中山市桂山中學;徐盼盼? ?江西省上饒貞白中學）